Accastampato #11 | IT

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Accastampato e realizzato con il patrocinio del Dipartimentodi Fisica dell’Universita Sapienza di Roma, del CNR Istitutodei Sistemi Complessi (ISC), Unita Sapienza di Roma, del-l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, del Dipartimento diFisica dell’Universita Roma Tre, dell’Associazione Romanaper le Astro-particelle (ARAP) e la collaborazione della EPSRome Young Minds Section.

istitutodei sistemicomplessi UNIVERSITÀ DEGLI STUDI

ROMATRE

Indice num. 11, Settembre 2013

EDITORIALE

Quando l’unione fa la forza. . . 5La stupefacente alleanza tra fisica e medicina nella lottacontro i tumori, in uno speciale di Accastampato dedicatoalla Notte Europea dei Ricercatori 2013 e tradotto per laprima volta in ben quattro lingue.

IL RICERCATORE ROMANODalle particelle subnucleari al bisturi 6

di F. CollamatiUna lotta che dura da secoli e che vede oggi l’alleanza trafisica e chirurgia.

ENLIGHT: l’adroterapia europea 9

di M. DosanjhLa rete ENLIGHT promuove l’adroterapia per il trattamen-to del cancro a livello pan-europeo.

A caccia della massima precisione 11

di M. CirilliUn ampio progetto europeo per soluzioni innovative nelcontrollo di qualita dell’adroterapia.

I calorimetri di LHC nella diagnosticamedica 14di N. Di VaraQuando problemi simili in ambiti diversi portano a soluzio-ni ed esperienze interscambiabili.

Tomografia a singolo fotone 16

di F. RoellinghoffIlluminare con una luce molto particolare.

Phantoms clinici 20di T. V.M. LimaCome si puo sperimentare una nuova tecnica radiologicasenza mettere in pericolo i pazienti?

Il Monte Carlo e l’adroterapia 22

di P. G. Ortega, C. ManciniSimulazioni virtuali di radioterapia.

L’adroterapia oncologica in Italia 26

di R. Orecchia, S. RossiIl CNAO e ancora in fase di costruzione e consolidamento,ma e gia all’avanguardia a livello europeo.

IL RESTO DEL NEUTRINOCome si misura un suono? 28di M. PuglieseIl decibel come unita di misura del volume del suono.

ESPERIMENTI

Levitazione magnetica 30

di P. MalacariMagneti sospesi e giradischi.

accastampato num. 11, Settembre 2013 3

EDITORIALE

Quando l’unione fa la forza. . .Fisica e medicina alleate contro il cancro

Ormai da anni una delle principali cause di morte in Europa e costituita dai tumori, una parola dallemille forme che racchiude pero un singolo concetto biologico: “massa abnormale di tessuto che crescein eccesso e in modo scoordinato rispetto ai tessuti normali, e che persiste in questo stato dopo lacessazione degli stimoli che hanno indotto il processo” (R. A. Willis). L’enorme varieta di forme cheun tumore puo assumere porta a un’altrettanto vasta casistica di decorso della malattia: da un tumore sipuo guarire, con un tumore ci si puo convivere, di un tumore si puo morire. La branca della medicinache si occupa di tale patologia si chiama oncologia e affronta quotidianamente due grandi problemi:trovare e riconoscere un tumore (diagnosi) e curarlo (terapia).

Nel primo caso e necessario poterlo vedere, sia che si trovi in superficie, sia che si nasconda in profon-dita all’interno del corpo. Nel secondo caso, invece, la strategia piu utilizzata ed efficace e quella dellarimozione, perche in fondo si tratta di cellule con un’attivita riproduttiva anomala che se uccise nonpossono piu fare alcun danno. Come fare tutto questo? Sapendo che la piu antica testimonianza che siconosca riguardo il cancro risale a piu di 3 mila anni fa (appare nel Papiro Edwin Smith, scritto durantela XVI o XVII dinastia dell’Antico Egitto), non stupisce che negli anni si siano sviluppate moltissimetecniche per affrontare il problema. L’aspetto piu sorprendente dell’ultimo periodo di lotta ai tumori,pero, e che appare sempre piu determinante l’apporto della fisica delle particelle allo sviluppo di nuovepratiche diagnostiche e terapeutiche e di innovativi apparati tecnologici: chiedete a Nicolas Di Varacome sono usati i calorimetri di LHC nella diagnostica medica!

Parole come acceleratore di particelle, LHC, bosone di Higgs sono ormai note anche al grande pubbli-co europeo e non solo, soprattutto per l’enorme lavoro di ricerca che si svolge in quella fucina di ideee tecnologie che e il CERN di Ginevra. E meno noto, invece, che oggetti apparentemente esotici comefasci di elettroni e protoni, radiazioni ad alta energia, decadimenti nucleari, antimateria hanno tutte lecarte in regola per essere usati come armi nella battaglia contro i tumori. Vogliamo capire se e dove sitrova un cancro nel corpo di un paziente? Sfruttiamo il suo bisogno di energia chimica e staniamolocon delle molecole traccianti radioattive. Vogliamo eliminarlo? Bombardiamo tutte le cellule malatecon fasci di particelle!

L’alleanza tra fisica e medicina, come ci spiega Francesco Collamati nel suo viaggio dalle particellesubnucleari al bisturi, e un percorso lungo, ma promettente come pochi altri. Tanto che l’Europa stapuntando con decisione proprio su una strategia di trasferimento tecnologico dai laboratori di fisicadelle particelle agli ambulatori, con una piattaforma continentale nota con il nome di ENLIGHT: cela descrive Manjit Dosanjh, coordinatrice del progetto. A livello europeo e non solo molti progettiaffrontano la questione da punti di vista diversi, ma complementari: Manuela Cirilli del CERN, adesempio, ci parla delle tecniche di monitoraggio in tempo reale, Frauke Roellinghoff della tomografiacomputerizzata a singolo fotone, Thiago Lima dello sviluppo dei phantoms clinici, Garcia Ortega eCarlo Mancini del fondamentale ruolo delle simulazioni dei trattamenti terapeutici. Ma tutte questemeraviglie, dove sono? Uno dei centri di eccellenza europei e in Italia, a Pavia: il centro italiano perl’adroterapia oncologica, come ci raccontano Roberto Orecchia e Sandro Rossi, e in piena formazionee sta bruciando le tappe per quanto riguarda trial clinici e certificazioni di qualita. Non solo un centrodi ricerca e di cura, dunque, ma un modello di collaborazione istituzionale e internazionale.

La fisica medica e dunque una disciplina trasversale, che travalica qualsiasi confine accademico ogeografico. E questa volta accastampato non e da meno: in occasione della Notte Europea dei Ricer-catori 2013 questo numero e pubblicato in ben quattro lingue (italiano, inglese, francese, spagnolo)sia on-line sul sito www.accastampato.it, sia sulla piattaforma AppStore per la lettura su iPade iPhone, sia su carta, distribuito a Roma, Ginevra, Parigi, Barcellona, . . .

Buona lettura, enjoy your reading, bonne lecture, feliz lectura!

La Redazione

accastampatoRivista degli Studenti

di Fisica di Romawww.accatagliato.org

[email protected]

Alessio [email protected]

Carlo [email protected]

Leonardo [email protected]

Manuela [email protected]

Roberto [email protected]

Kristian A. Gervasi [email protected]

Niccolo [email protected]

Isabella [email protected]

Massimo [email protected]

Silvia [email protected]

Angela [email protected]

Martina [email protected]

COMMISSIONE SCIENTIFICA

Giorgio ParisiGiovanni BattimelliFabio BelliniLara BenfattoStefano BianchiGiulia De BonisRiccardo FacciniFrancesco PiacentiniLuciano PietroneroAntonio PolimeniAntonello PolosaMaria Antonietta Ricci

HANNO CONTRIBUITO

M. Cirilli, F. Collamati, M. Dosanjh,T. V.M. Lima, P. Malacari, P. G. Orte-ga, C. Mancini, M. Pugliese, F. Roel-linghoff, R. Orecchia, S. Rossi, N. DiVara.

CON LA COLLABORAZIONE DI

Commissione EuropeaCERN

CON IL PATROCINIO DI

Dipartimento di Fisica dell’Univer-sita Sapienza di RomaIstituto dei Sistemi Complessi CNR-ISC, Sezione Sapienza di RomaIstituto Nazionale di Fisica NucleareDipartimento di Fisica dell’Univer-sita Roma TreAssociazione Romana per le Astro-particelle

SI RINGRAZIANO ANCHE

Donald E. Knuth, Leslie Lamport, ilTEX Users Group (www.tug.org)e Gianluca Pignalberi

accastampato num. 11, Settembre 2013

Dalle particelle subnuclearial bisturiConquiste e frontiere nella lotta ai tumori

Francesco Collamati(Universita Sapienza di Roma)

Nel significativo miglioramento del tasso di soprav-vivenza a 5 anni dalla diagnosi dei tumori, che esalito dal 49% del 1975 al 68% del 2009 (dati re-lativi agli Stati Uniti [1]), sono racchiusi i variegati

progressi che la scienza ha fatto negli ultimi decenni in ambitomedico, ma non solo.

I tanti passi di una lotta che dura da secoli

Se da una parte infatti un ruolo fondamentale lo ha giocato labiologia molecolare che, consegnandoci un’immagine sempre piuchiara dei tumori e del loro funzionamento, ci ha permesso di ca-pirne i meccanismi regolatori e in alcuni casi addirittura la cau-sa1, dall’altra anche innovazioni che tendiamo a relegare ad altriambiti hanno avuto invece il loro ruolo in questo miglioramen-to. E noto per esempio come la diffusione del frigorifero abbiacontribuito a ridurre il numero di tumori allo stomaco [2].

Ai grandi passi avanti fatti dalle tecniche chirurgiche, che oggiconsentono anche diagnosi molto accurate (si pensi alla biopsia)in grado di indirizzare il paziente verso i trattamenti piu efficaci,si sono affiancati notevoli e fondamentali sforzi di prevenzione,sensibilizzazione e screening della popolazione. Se pensiamo al-le tecniche di imaging, quelle cioe che ci permettono di guardaredentro il paziente da fuori, tramite l’uso ad esempio di radiazioni,e evidente che gli strumenti che abbiamo oggi nella lotta con-tro il cancro sono infinitamente piu avanzati di quelli di appenaqualche decennio fa. Eppure ancora molto c’e da fare, se consi-deriamo che ogni anno in Italia muoiono circa 150 mila personea causa dei tumori [3]. Fortunatamente abbiamo ancora molte vieda esplorare! Biologi e immunologi sono oggi in grado di crea-re particolari anticorpi capaci di aggredire molto selettivamente lemolecole bersaglio caratteristiche del tumore. La radioterapia conparticelle pesanti (la cosiddetta adroterapia) ci permette di colpirele cellule malate poste in profondita lasciando praticamente ille-se quelle sane circostanti. Senza ovviamente dimenticare che ungrosso e concretissimo miglioramento verrebbe da un profondocambiamento dei nostri stili di vita. . . !

Tutte le scienze umane hanno molto da dire in questa battaglia,ma e quando queste si uniscono e si intersecano che si schiudononuovi e impensati orizzonti di possibilita.

1 Come nel caso del Papilloma Virus, responsabile praticamente ditutti i tumori alla cervice uterina e per il quale oggi possediamo giaun vaccino.

L’unione fra la fisica e la chirurgia

Capita cosı che un notevole e inaspettato aiuto alla chirurgia ven-ga dalla fisica delle particelle elementari. Proprio quella fisica checostruisce immensi acceleratori, giganteschi telescopi spaziali ecuriosi osservatori sotto oceani e montagne. Secoli di scoperte,decenni e decenni di ricerca che diventano piccoli e grandi stru-menti nelle mani del chirurgo. Nonostante i grandi progressi diradio- e chemioterapia, la chirurgia resta infatti la principale te-rapia nei pazienti malati di cancro, che subiscono intervento nel90% dei casi. E evidente che l’obiettivo della chirurgia e l’aspor-tazione delle cellule malate, e che quanto piu questa asportazionee completa, tanto maggiore sara la speranza di aver eradicato dav-vero il tumore. Le cellule tumorali, infatti, per loro natura tendonoa riprodursi in maniera incontrollata e anche piccoli residui posso-no portare a nuove malattie, le cosiddette recidive, che diventanovia via piu difficili da trattare e diminuiscono significativamentele aspettative di vita del paziente.

Grazie alle attuali tecniche di imaging (TAC, Risonanza Magne-tica e PET, cfr. Figura 1), siamo oggi generalmente in grado disapere dove si trova il tumore con elevata precisione prima di ope-rare il paziente. Il problema nasce pero quando il chirurgo si trovaa esplorare il campo operatorio alla ricerca di quello che aveva vi-

Figura 1 – Esempi di tecniche di imaging: in basso immagini della TAC,che forniscono informazioni sulla densita dei tessuti, mostrando quindicon grande dettaglio le ossa. In alto un’immagine PET, in cui abbiamoinformazioni circa l’attivita metabolica dei tessuti, cioe quanto zuccheroessi consumano: in questa maniera siamo in grado di identificare zone dianomala attivita, spesso tumori, come segnalato dalla freccia bianca.

6 accastampato num. 11, Settembre 2013

IL RICERCATORE ROMANO

Figura 2 – Prototipo della sonda che, avvolta in una copertura steri-le, dovrebbe utilizzare il chirurgo durante l’operazione per verificare lacompletezza dell’asportazione.

sto nero su bianco (a essere precisi di solito bianco su nero!) suun’immagine. Solitamente la cosiddetta massa principale del tu-more e ben identificabile anche a occhio nudo: si tratta infatti ditessuto particolare, caratterizzato da uno sviluppo maggiore e piudisordinato del tessuto normale. Purtroppo pero questa massa nonsempre e caratterizzata da bordi ben definiti e separati dal tessu-to sano circostante. Molto spesso dopo l’asportazione del tumoreil chirurgo si trova nella condizione di dover scandagliare cen-timetro per centimetro il bordo della zona da cui lo ha rimosso,cercando di individuare eventuali residui di cellule tumorali. Adoggi, l’efficacia di questa scansione e strettamente legata alla bra-vura e all’esperienza del chirurgo, che tuttavia, essendo in fin deiconti un essere umano, ha elevate probabilita di sbagliare (anchedel 30%).

Basta un poco di zucchero. . .

In questo contesto di sale operatorie e bisturi, che contributo puodare la fisica nucleare? Bene, a essere sinceri una sua (fonda-mentale) parte la gioca anche la chimica (insieme alla biologia).Esistono infatti particolari molecole che hanno elevata affinita conle cellule tumorali. Esempio semplice, lo zucchero: e abbastanzacomprensibile che piu compiamo lavoro e fatica, piu consumiamozucchero. E cosı funziona anche per le nostre cellule: le cellulecon metabolismo particolarmente elevato consumano piu zucche-ro di quelle a metabolismo minore. Le cellule del tumore, a dif-ferenza di quelle sane, passano il loro tempo a riprodursi a ritmiforzati, con un gran dispendio di energia: ecco allora che i tumoricapteranno molto piu zucchero dei tessuti sani! Purtroppo pero,bombardare di zucchero i tumori difficilmente potrebbe aiutare ilnostro chirurgo. Manca infatti un passaggio fondamentale.

Ora che abbiamo stabilito che i tumori sono molto piu avidi diglucosio dei tessuti sani, perche non pensiamo di dar loro in pa-sto, invece di una normale molecola di zucchero, una molecola dizucchero radio-marcata? Si tratta sostanzialmente di prendere lamolecola di glucosio e sostituire a uno dei suoi atomi un atomo

radioattivo, che prima o poi decadra emettendo una particella, adesempio un elettrone. In questa maniera, quando vedremo com-parire questa particella sapremo che lı e finita una molecola diquesto zucchero radioattivo: se vedremo molte particelle, sapre-mo che molto zucchero e finito in quel punto e che probabilmentesi tratta quindi di una zona malata!

Tutto questo gioco di molecole e atomi radioattivi, che sembra unprocesso quasi fantascientifico, e invece oggi ampiamente diffu-so a livello industriale e ci sono numerosissimi centri nel mondoche ogni giorno producono il 18F-FDG (nome in codice di que-sto glucosio radioattivo) anche per essere esportato (ogni giornodal policlinico di Tor Vergata parte un aereo che trasporta un po’di questo glucosio nell’isola di Malta!). Il 18F-FDG e oggi fon-damentale in moltissimi campi della medicina nucleare, a partireproprio dalla PET [4], e contribuisce ogni anno a salvare milionidi vite umane, talmente tante che sono difficili da quantificare!Ora, oltre allo zucchero si puo pensare a molte altre sostanze chesvolgano questo compito, come pure si puo pensare a vari isoto-pi radioattivi da usare come spia della presenza della molecolaradiomarcata. Quello che conta e che iniettando al paziente unapiccola dose di questo materiale prima dell’operazione, il chirur-go con una piccola sonda (delle dimensioni di una penna a sfera,cfr. Figura 2) puo, gia durante l’operazione stessa, scansionarela zona del tumore per capire se il tessuto che vede e un tessutomalato, e quindi da togliere, o se e invece sano e va quindi la-sciato. Ci sono casi, come ad esempio i tumori al cervello, in cuiun’asportazione completa e precisa del tumore puo cambiare l’a-spettativa di vita del paziente anche di anni. E su questo progettoche insieme ad un gruppo del dipartimento di Fisica dell’Univer-sita Sapienza stiamo lavorando, avvalendoci di varie collabora-zioni mediche (Ospedale Pediatrico Bambin Gesu di Roma, Isti-tuto Neurologico Carlo Besta di Milano), che sono assolutamentenecessarie nell’ottica di questa feconda intersezione fra saperi.

Figura 3 – L’attrice Julie Andrews in un fotogramma del film MaryPoppins del 1964.


Forse sarebbe un po’ eccessivo concludere che “basta un poco dizucchero. . . ”! Eppure, non dobbiamo far l’errore di pensare cheper migliorare la nostra vita e la nostra condizione abbiamo bi-sogno di scoprire sempre nuove cose. Ci sono infinite possibilitache nascono dalla sapiente e coraggiosa unione di competenze,idee e tecnologie che gia abbiamo. Come diceva Marcel Proust:“le veritable voyage de decouverte ne consiste pas a chercher denouveaux paysages, mais a avoir de nouveaux yeux”.

Bibliografia

[1] Howlader N., Noone A., Krapcho M. et al. SEER CancerStatistics Review 1975-2009. National Cancer Institute (2010)[2] La Vecchia C., Negri E., D’Avanzo B. e Franceschi S.Electric refrigerator use and gastric cancer risk. In BritishJournal of Cancer, vol. 62(1):136–137 (lug. 1990). URLhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/

PMC1971721/pdf/brjcancer00215-0144.pdf

[3] AAVV. I numeri del cancro in Italia URLhttp://www.registri-tumori.it

[4] AAVV. Positron emission tomography. In Wikipedia.URL http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_

emission_tomography

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2013/09/particelle-elementari-e-chirurgia/

Sull’autore

Francesco Collamati ([email protected]) si elaureato nel 2011 in Fisica presso l’UniversitaSapienza di Roma. Gia dalla dissertazione dilaurea triennale si occupa di fisica medica e adroterapia. Eattualmente studente al secondo anno di dottorato semprepresso il dipartimento di Fisica della Sapienza, dove lavorain un gruppo di fisici delle particelle elementari prestati alcampo delle applicazioni mediche.

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ENLIGHT: l’adroterapiaeuropeaLa rete ENLIGHT nasce per riunire le eccellenze nella terapia adronica in Europa

Manjit Dosanjh(CERN, Ginevra)

Il cancro e un significativo problema per la salute della so-cieta e ogni anno piu di 3 milioni di europei sviluppanotumori maligni, di cui circa il 50% sono curati. La tradi-zionale radioterapia a raggi X copre il 40÷50% di questa

percentuale di casi trattati, sia quando usata come unica terapiasia in combinazione con altri trattamenti. La radioterapia giocaun ruolo importante anche nel controllo dei sintomi e nelle tera-pie del dolore per pazienti incurabili. E decisamente il tipo ditrattamento contro il cancro piu efficace e ha il vantaggio di man-tenere la normale funzionalita dei tessuti. Piu di 10 mila acce-leratori lineari d’elettroni (linas) sono usati in tutto il mondo dairadioterapisti e dagli oncologi per curare i pazienti.Ad ogni modo, la radioterapia a raggi X convenzionale e carat-terizzata da un’attenuazione e un assorbimento quasi esponenzia-li, dunque il massimo d’energia viene erogato presso il punto dientrata del fascio, che continua a depositare pero un’energia si-gnificativa anche oltre il tessuto canceroso. Il massimo, per fa-sci di raggi X con un’energia di circa 8 MeV, si raggiunge unaprofondita di 2÷ 3 cm nel tessuto molle. Per compensare questisvantaggi dei raggi X e per meglio distribuire la dose di radiazio-ni sulla zona tumorale, i radioterapisti usano varie tecniche detteconformazionali e di modulazione d’intensita. Questo coinvolgel’uso di strumenti computerizzati di ottimizzazione del piano ditrattamento che raggiungano un miglior rilascio del dosaggio euna minimizzazione del deposito dell’energia sui tessuti sani.Il fisico visionario fondatore del Fermilab, Robert Wilson, ha pro-posto nel 1946 l’uso dell’effetto del picco di Bragg degli adroniper il trattamento del cancro. Per i protoni, le particelle alfa e altriioni il picco di perdita d’energia ha luogo immediatamente primache le particelle si fermino. Questo e cio che si definisce piccodi Bragg. L’utilizzo di tale picco fu applicato per la prima voltapresso il Lawrence Berkeley Laboratory (LBL).

Oltre i raggi X: la terapia con particelle

La Terapia con Particelle (TP) e una precisa forma di radioterapiache sfrutta particelle cariche al posto dei raggi X per sommini-strare il corretto dosaggio di radiazioni ai pazienti. In particolarela radioterapia con adroni o particelle come protoni o altri ionileggeri offre numerosi vantaggi. Puo superare i limiti dei raggi Xdal momento che adroni e particelle depositano la maggior partedella propria energia alla fine del loro percorso e possono esse-re focalizzate con grande precisione. Cio consente di offrire untrattamento del tumore piu accurato, che distrugge le cellule can-

cerose con maggior precisione e procura danni minimi ai tessuticircostanti, salvaguardandone l’integrita.

Sempre piu spesso si ricorre alla terapia con particelle, con cuisono trattati circa 100 mila pazienti in tutto il mondo. Numero-si centri dedicati, con ampia capacita di trattamento dei pazienti,stanno rimpiazzando la prima generazione di impianti sperimen-tali, ospitati dapprima nei laboratori di ricerca di fisica. Solo unapiccola percentuale di questi pazienti e stata pero irradiata contecniche di scanning attivo piu avanzate, un contributo esclusiva-mente europeo sviluppato al PSI (Villigen) per i protoni e al GSI(Darmstadt) per gli ioni carbonio.

Trattamenti con ioni carbonio

Gli ioni carbonio depositano in una cellula una quantita d’energia20 volte superiore ai protoni, ma con lo stesso percorso e la mede-sima precisione. D’altra parte, il Trasferimento Lineare d’Energiaalla fine del cammino del carbonio e maggiore di quello dei raggiX e dei protoni (radiazioni low-LET). I danni al DNA risultantiincludono rotture piu complesse del doppio filamento e altri dan-ni letali, che non possono essere riparati dai normali meccanismicellulari. Gli effetti prodotti alla fine del cammino di particelle co-me il carbonio sono qualitativamente differenti da quelli prodottida altre classi di radiazioni, e aprono la strada a una strategia disuperamento della resistenza alla radioterapia, spesso dovuta al-l’ipossia delle cellule tumorali. Per queste ragioni il carbonio ealtri ioni pesanti con la loro corrispondente efficacia biologia rela-tiva (EBR) alla fine del loro cammino possono controllare tumoritipicamente resistenti ai raggi X e forse ai protoni. Tali ioni pos-sono portare a trattamenti migliori e piu efficaci e a una riduzionedei tempi e del numero di sedute della terapia.

Queste considerazioni sono conseguenza dell’uso del carbonionegli ultimi dieci anni per il trattamento dei primi 10 mila pa-zienti presso HIMAC (Giappone), GSI (Darmstadt) e HIT (Hei-delberg) in Germania e recentemente presso il CNAO a Pavia inItalia. Ad ogni modo gli ioni carbonio sono ancora ad uno stadiosperimentale e sono necessari ulteriori studi clinici.

Attualmente il Giappone e leader nel trattamento con gli ioni car-bonio, ma anche l’Europa sta giocando un ruolo chiave nello svi-luppo della terapia ionica. Nel 1997 hanno avuto luogo i primitrattamenti con ioni carbonio a scansione attiva presso il centroGSI (Gesellshaft fur Schwerionenforschung), in Germania. Cen-tri polivalenti per la terapia a ioni leggeri (ioni carbonio e protoni)



sono al momento in costruzione ad Heidelberg (Germania) e Pa-via (Italia). In Svizzera, Francia e Svezia sono in funzione centriper la terapia con protoni dei tumori radicati e di malformazio-ni, mentre nuovi centri diventeranno presto operativi. Analoghicentri di adroterapia sono stati approvati in Austria, Francia, Ger-mania e numerosi paesi europei sono interessati a realizzare piucentri per la terapia ionica e a protoni, come il Belgio, la Re-pubblica Ceca, la Danimarca, la Grecia, l’Olanda, la Spagna, laSvezia e il Regno Unito.Il Network Europeo per la Ricerca nella Terapia Adronica con Io-ni Leggeri (ENLIGHT)1, il cui meeting inaugurale si e tenuto alCERN nel Febbraio 2002, e stato istituito per coordinare gli sforzieuropei nell’utilizzo di fasci a ioni leggeri per la terapia radiativa.Finanziato dalla Commissione Europea per tre anni, ENLIGHTha creato una piattaforma multidisciplinare unendo comunita tra-dizionalmente separate come medici, fisici, biologi ed ingegneriin modo da poter lavorare insieme per un obiettivo comune.

La rete europea per la ricerca nella terapiaadronica con ioni leggeri

Nel 2006 si e tenuto presso il CERN un brainstorming tra medici,oncologi, fisici, radiobiologi, esperti in tecnologie di informazio-ne e comunicazione e ingegneri, provenienti da circa 20 paesi eu-ropei. La comunita ha ritenuto che ENLIGHT fosse l’ingredientechiave per un progresso futuro, valutando che il progetto doves-se essere mantenuto e ampliato, chiamandolo ENLIGHT++. Loscopo del nuovo network e duplice: rinforzare la rete europea de-gli istituti e degli specialisti che lavorano nel campo della terapiaa ioni leggeri e sponsorizzare la ricerca nei campi di comune in-teresse per lo sviluppo di dispositivi clinicamente all’avanguardiae tecnicamente avanzati.E necessaria una piattaforma europea comune per alimentare ecoordinare le collaborazioni tra attivita di ricerca nazionale rela-tive all’adroterapia, includendo ambiti cosı vari come gli acce-leratori di protoni e ioni leggeri, i rilevatori, la ricostruzione eil processamento di immagini, la radiobiologia, l’oncologia e laricerca clinica. ENLIGHT da vita a una massa critica di fisici, ra-diobiologi, fisici medici e ingegneri biomedici, da differenti paesieuropei, tutti coinvolti nello sviluppo dell’adroterapia. Sotto lacupola di ENLIGHT ci sono attualmente quattro progetti attivi:PARticle Training Network for European Radiotherapy (PART-NER), Union of Light Ion Center in Europe (ULICE, 2009), Eu-ropean NoVel Imaging System for ION therapy (ENVISION) eResearch Training in 3D Digital Imaging for Cancer RadiationTherapy (ENTERVISION). Tutti questi progetti sono diretti ai di-versi aspetti dello sviluppo, dell’istituzione e dell’ottimizzazionedell’adroterapia. Le iniziative coinvolgono conoscenze clinicheintegrate, biologiche e tecniche cosı come la formazione di una

1 Pagina ufficiale: www.cern.ch/ENLIGHT.

futura generazione a livello europeo, cosı che l’adroterapia di-venti ampiamente disponibile per il beneficio di tutti i cittadinieuropei. In particolar modo i suoi scopi sono:

• identificare i punti critici e concentrare la ricerca su areechiave per definire e sviluppare la terapia con particelle, perestendere i suoi benefici attraverso l’Europa e possibilmen-te in tutto il mondo, in maniera complementare alle altreterapie;

• sviluppare una piattaforma europea comune per validarel’efficacia dell’adroterapia, cominciando inizialmente con idispositivi piu avanzati di Heidelberg e Pavia;

• sviluppare la perizia tecnica e una conoscenza molto estesaper un uso terapeutico della terapia con particelle e crea-re il know-how professionale appropriato, necessario perun’espansione su scala europea;

• aumentare l’efficacia dei costi dell’adroterapia, miglioran-do la qualita della vita e riducendo il costo complessivo deltrattamento;

• integrare l’adroterapia all’interno della miglior gestionemultidisciplinare disponibile per il trattamento del cancro;

• formare i futuri scienziati necessari per questo campoemergente.

Le chiavi di volta della prospettiva di ENLIGHT sono in breve lapromozione e l’ottimizzazione dell’adroterapia per il trattamentodel cancro ad un livello pan-europeo.


2013/09/adroterapia-ed-enlight/

Sull’autore

Manjit Dosanjh ([email protected]) e consigliere per le scienze biologicheal CERN di Ginevra dal 2000. E arriva-ta al CERN dopo anni di ricerca nel campodella biologia molecolare, attualmente e coordinatrice delnetwork ENLIGHT e di vari progetti europei nel campodell’adroterapia.


Alla ricerca della massimaprecisioneMonitoraggio e terapia nel progetto ENVISION

Manuela Cirilli(CERN, Ginevra)

L’adroterapia permette un trattamento estrema-mente preciso dei tumori, grazie al modo in cuigli adroni depositano la loro energia (ovvero ladose di radiazioni) mentre attraversano il corpo

umano. Infatti, mentre i raggi X usati nella radioterapia classicaperdono energia lungo tutto il loro tragitto all’interno dei tessu-ti, gli adroni si fermano a una profondita che dipende dalla loroenergia iniziale e depositano la maggior parte della loro energiaproprio attorno alla fine del loro cammino.

Rivelare il cancro

Il deposito di energia degli adroni ha una caratteristica forma apicco, denominato picco di Bragg. Sfruttando il picco di Braggsi puo bersagliare una ben definita regione di tessuto canceroso,riducendo drasticamente il danno ai tessuti sani circostanti. Ladose viene depositata in una zona talmente piccola che e stato ne-cessario sviluppare nuove tecniche per riuscire a coprire l’interotumore. Queste tecnologie vanno dalla diffusione passiva (passi-ve scattering), in cui il fascio di protoni passa attraverso strutturegeometriche che lo allargano in modo da irradiare una zona piuampia, alla scansione per punti (spot scanning). In quest’ultimocaso un fascio sottile di protoni effettua vari passaggi allo scopodi ricoprire tutto il volume tumorale nelle tre dimensioni, graziea regolazioni dell’energia del fascio (che ne determina la profon-dita) e di magneti che possono guidarlo a destra e a sinistra, in altoe in basso. L’ultima generazione di trattamenti di adroterapia mi-ra a raggiungere il livello di sofisticazione e precisione di quellache si chiama radioterapia (convenzionale) modulata in intensita:l’IMPT (Intensity Modulated Particle Therapy) permetterebbe divariare non solo i fattori geometrici, ma anche la dose in funzione

Figura 1 – Logo ufficiale del progetto ENVISION.

del bisogno dei vari tessuti, per un trattamento ancora piu precisoe personalizzato.Tutti questi metodi richiedono l’uso di diagnostica per immagi-ni (medical imaging) al massimo grado di sviluppo tecnologico.In adroterapia la diagnostica per immagini non e usata soltantoper sapere dove si trova il tumore prima di iniziare il trattamento,ma anche durante la terapia stessa: date le dosi elevate dei fasciadronici, occorre controllare in tempo reale la dose depositata neivari tessuti e fornire, se necessario, le informazioni adeguate perricalibrare il piano di trattamento. Infatti la precisione intrinsecadell’adroterapia puo essere ridotta dalla precisione con cui sia-mo in grado di determinare dove effettivamente si arresta il fascioall’interno del corpo del paziente, nonche da fattori relativi al po-sizionamento del paziente o al calcolo della dose da fornire. Nonsolo: tecnologie avanzate di diagnostica per immagini potrebberopermettere di tenere conto del movimento degli organi durante iltrattamento, come nel caso di tumori ai polmoni, e di ridefinire ilvolume da trattare man mano che il tumore si riduce durante lesessioni di adroterapia.

Il progetto ENVISION

Il cosiddetto controllo di qualita durante la terapia adronica deitumori e una sfida cruciale per sfruttare al massimo le potenzia-lita di questa metodologia. Il progetto ENVISION1, finanziatodalla Commissione Europea e supportato dalla rete ENLIGHT,nasce proprio per sviluppare soluzioni innovative in questo ambi-to e riunisce sedici centri di ricerca e un partner industriale sottoil coordinamento del CERN di Ginevra. ENVISION si propo-ne di implementare tecniche per il monitoraggio non invasivo ein tempo reale degli organi in movimento, per una precisa deter-minazione della dose depositata e per una rapida integrazione diqueste informazioni nel sistema di pianificazione del trattamento(Treatment Planning System, TPS). La strategia di ENVISION ebasata sullo sviluppo di rivelatori innovativi, sistemi inediti per ilcontrollo del movimento e tecniche avanzate di simulazione, conlo scopo di integrare tutti questi strumenti nel TPS.

Sistemi di monitoraggio non invasivi

Una prima sfida e quella di controllare accuratamente durante l’ir-radiazione (in gergo: in-beam) la dose che viene realmente fornita

1 Pagina ufficiale: envision.web.cern.ch.



al paziente. Un metodo che sfrutta la Tomografia per Emissionedi Positroni (Positron Emission Tomography, PET) e stato inizial-mente tentato a LBNL (Berkeley, USA) e finalmente implemen-tato clinicamente a GSI (Darmstadt, Germany). La PET vieneusata comunemente negli ospedali per ottenere immagini in 3Ddei processi funzionali che avvengono all’interno del corpo. Inquesto caso un radiofarmaco viene iniettato nel paziente, si con-centra nei tessuti da analizzare e decade emettendo un positrone:questa forma di decadimento si chiama β+ (beta positivo). Il po-sitrone e una particella di antimateria e dunque non puo esisterea lungo a contatto con la materia ordinaria: dopo un brevissimopercorso, il positrone si annichila quindi con un elettrone e daorigine a due fotoni. Il tomografo per la PET e costituito da unanello di rivelatori posizionato intorno al corpo che registrano ilpassaggio dei due fotoni e ricostruiscono il punto (o vertice) dacui essi hanno avuto origine. La distribuzione dei vertici fornisceun’immagine della distribuzione del radiofarmaco nel tessuto. Inadroterapia si puo sfruttare l’attivita β+ indotta proprio dall’ir-raggiamento con adroni senza bisogno di iniettare alcun farmaco.Rispetto alla PET convenzionale, pero, la qualita dell’immagine edeteriorata a causa del minor numero di fotoni emessi e dal fattoche i rivelatori non possono essere disposti in un anello chiuso, inquanto occorre lasciare lo spazio necessario al passaggio del fa-scio di adroni: la struttura obbligatoriamente aperta dei rivelatoriintroduce cosı delle zone morte in cui il sistema non puo vederenulla e quindi puo produrre artefatti nell’immagine ricostruita.ENVISION studia come migliorare la qualita dell’immagine uti-lizzando la tecnologia cosiddetta del tempo di volo (Time ofFlight, TOF), che aiuta a selezionare le coppie corrette di foto-ni. Il miglioramento possibile dipende dall’accuratezza con cuisi misura il tempo di volo. ENVISION studia il comportamentodi rivelatori differenti: le camere a elettrodi piani resistivi (Resi-stive Plate Chambers, RPC) e i cristalli scintillatori. Entrambe letecnologie sono comunemente usati nei rivelatori usati dai fisicidelle particelle, inclusi quelli a LHC. ENVISION sta costruen-do prototipi di sistemi PET basati su questa tecnologia, completidi elettronica di lettura e sistema di acquisizione dati, e sta svi-luppando algoritmi di ricostruzione veloce per analizzare i datiraccolti da questi sistemi.Recentemente, e stato proposto un nuovo approccio al monito-raggio in tempo reale della dose, basato sulla rivelazione dellaradiazione emessa immediatamente dopo l’inizio delle reazioninucleari causate dal fascio terapeutico di adroni. Tale radiazio-ne viene detta prompt, cioe immediata. ENVISION propone unostudio completo della fattibilita di questo metodo innovativo, de-nominato tomografia a particella singola (single particle tomo-graphy, SPAT), in particolare usando i singoli fotoni o protoniprompt. Il metodo SPAT ha il vantaggio di non essere influenzatodai processi metabolici, come avviene per la PET, e quindi in li-nea di principio e ideale per fornire un’informazione precisa sulladistribuzione della dose depositata. Analogamente alla PET, la

Figura 2 – Irradiazione ad alta precisione di un tumore con fa-sci di adroni mediante la tecnica detta di raster scanning. Credit:GSI/HIT/Siemens.

rivelazione di fotoni singoli (single photon emission tomography,SPECT) e ampiamente usata in medicina nucleare per ottenereimmagini in 3D in seguito all’iniezione di un radio-isotopo emet-titore di fotoni. Nel caso dell’adroterapia, se si guarda la distribu-zione dei fotoni singoli in direzione perpendicolare al fascio tera-peutico, si trova un picco correlato con il picco di Bragg, e quindicon il deposito di dose. La difficolta per il progetto ENVISIONe di progettare un sistema con i requisiti adatti a un’applicazionein-beam per adroterapia: infatti i rivelatori che si usano in medi-cina nucleare, le cosiddette camere a fotoni, non sono adatti all’e-nergia dei fotoni emessi durante la terapia adronica, tipicamentetra 0 e 7 MeV. Il progetto ENVISION mette quindi a confrontodiverse tecnologie di rivelazione, cercando di costruire un proto-tipo ottimale. ENVISION studia anche la fattibilita del controllodella dose attraverso lo studio di particelle cariche prompt, in par-ticolare fotoni, un metodo mai testato finora in ambiente clinicoe che si basa sulla rivelazione dei protoni emessi nella direzionedel fascio.

Terapia adronica in quattro dimensioni

Un’altra sfida essenziale per l’adroterapia moderna e il trattamen-to efficace e sicuro dei tumori soggetti a moto fisiologico. Datoche la dose depositata intorno al picco di Bragg e molto eleva-ta, la terapia adronica e estremamente sensibile a movimenti ecambiamenti nell’anatomia, che potrebbero comportare un’irra-diazione accidentale al di fuori del bersaglio tumorale con con-seguenze molto serie, particolarmente nel caso in cui il tumore evicino ad organi vitali che devono invece essere preservati. Quan-do si impiega il metodo della scansione per punti c’e la difficoltaaddizionale di sincronizzare i movimenti del fasci con quelli ana-tomici. ENVISION esplora soluzioni sia software che hardwareper migliorare la qualita e l’affidabilita dell’adroterapia nel caso



di tumori in movimento. Questo implica prima di tutto passaredal monitoraggio in 3D a quello in 4D, includendo la dimensionetemporale in aggiunta alle tre dimensioni spaziali. Gli studi effet-tuati da ENVISION mettono a confronto per la prima volta varieimplementazioni di PET in-beam per determinare potenzialita elimiti di questa tecnica per un irraggiamento sincronizzato con ilmovimento. Inoltre ENVISION si adopera per stabilire i requisitiideali per una futura PET in 4D per applicazioni in tempo realein adroterapia. La PET in-beam non e comunque ancora diffusain tutti i centri europei di terapia adronica, che sono per la mag-gior parte equipaggiati dei normali scanner PET e CT usati dal-la medicina nucleare. ENVISION investiga quindi la fattibilitadi una diagnostica per immagini PET/CT in 4D immediamentesuccessiva all’irraggiamento, invece che in tempo reale.In parallelo, ENVISION esplora anche tecniche non invasive dicontrollo del movimento in 4D, come ad esempio le sonde adultrasuoni, che potrebbero essere integrate alle varie tecnologie(PET, SPAT) sviluppate dal progetto, o a quelle generalmente di-sponibili in ambiente clinico. Tutti questi sviluppi tecnologiciavranno un vero impatto sull’adroterapia solo se potranno essereintegrati nella pratica clinica. Per questo motivo ENVISION svi-luppa e affina gli strumenti necessari a integrare automaticamentele misure di dose fatte tramite PET e SPAT nel sistema di pia-nificazione del trattamento. Questi strumenti saranno essenzialiper individuare rapidamente eventuali errori nel posizionamentodel fascio e permetteranno un’adroterapia adattabile: renderan-no cioe possibile modificare il piano di trattamento in funzionedi cambiamenti nell’anatomia del paziente e dei dati sulla dosi-metria. Ad esempio, quando si usa la PET per verificare la doseda depositare, si effettua un confronto fra una distribuzione misu-rata e una simulata: tale confronto viene abitualmente effettuatoin maniera manuale da un esperto. Si tratta quindi di una pro-cedura lunga e costosa, che, se effettuata in maniera automatica,permetterebbe un trattamento piu efficiente ed economico.In tutte queste attivita, e essenziale avere a disposizione degli stru-

menti di simulazione che permettano di predire in maniera atten-dibile tutti gli effetti che possono essere rilevanti per il controllodella terapia. I modelli di calcolo piu affidabili si basano sullesimulazioni Monte Carlo, che permettono di descrivere le inte-razioni del fascio di adroni con la materia. Tuttavia, al momen-to, le interazioni nucleari possono essere descritte solo attraversomodelli fenomenologici che dipendono da vari parametri tratti dadati sperimentali. ENVISION effettua un lavoro di revisione deidati esistenti e un’accurata comparazione dei vari modelli feno-menologici fra loro e con i dati sperimentali. Inoltre, ENVISIONsta implementando una descrizione accurata del processo di rive-lazione delle particelle emesse durante l’adroterapia e dell’interaprocedura di trattamento dei pazienti.Tutti gli strumenti sviluppati da ENVISION sono volti all’appli-cazione in ambiente clinico, per fornire soluzioni ad alcuni deiproblemi cruciali per un’adroterapia piu efficace e sicura. Il pro-getto e entrato nel suo ultimo anno e i risultati ottenuti sarannoimportanti per il futuro di questo tipo di trattamento dei tumori.


2013/09/envision_it/

Sull’autore

Manuela Cirilli ([email protected]) e fisico e comunicatore scientifico.Ha lavorato per quindici anni in fisica delleparticelle, negli esperimenti NA48 e ATLASal CERN di Ginevra, prima di entrare a far parte del gruppoKnowledge Transfer del CERN nel 2010. Si occupa diapplicazioni della fisica alla medicina, e svolge varie attivitadi comunicazione e divulgazione. Dal 2010 collaboraregolarmente alla didattica per il master in Comunicazione eGiornalismo Scientifico dell’Universita di Ferrara.

I calorimetri di LHCnella diagnostica medicaGli strumenti degli acceleratori di particelle applicati alla PET

Nicolas Di Vara(Universita di Milano-Bicocca)

Il giorno in cui Sir Joseph Johnson identifico per primo l’e-lettrone, nel 1897, con ogni probabilita non penso all’elet-tronica. E non poteva immaginare l’impatto che questascoperta avrebbe avuto sui destini del mondo nei decenni

successivi. Il rapporto tra lo studio della regolarita della naturae le applicazioni che ne derivano resta l’interfaccia piu naturaletra la nostra curiosita e il tentativo di migliorare le condizioni ma-teriali delle nostre vite attraverso la tecnologia. Questo rapportotra ricerca di base e soluzioni tecnologiche si palesa in un classicodominio applicativo della fisica: la medicina. E utile a questo pro-posito riportare l’esperienza del piu grande laboratorio di ricercaeuropeo, il CERN di Ginevra, e l’attenzione dedicata al cosiddet-to technology transfer, dalla fisica delle particelle elementari alleapplicazioni della medicina nucleare.

Da simili problemi derivano le stessesoluzioni

I grandi esperimenti di fisica delle particelle richiedono parame-tri, strumenti e accuratezze non molto dissimili da quelli richiestida un’installazione di fisica medica. In particolare necessitanodi fasci di particelle accelerate, metodi per controllare e gestiregli impatti, sistemi di rivelatori ed elettronica per misurare i para-metri delle particelle risultanti dalle collisioni, sistemi di softwareper analizzare i dati ottenuti. Anche nella medicina nucleare inter-vengono questi elementi, tanto nella diagnostica quanto nella te-rapia. Ad esempio i misuratori di energia di particelle elettroma-gnetiche, detti calorimetri elettromagnetici, hanno caratteristichesimili a quelle di un sistema di rivelatori montati su una TAC (To-mografia Assiale Computerizzata): in entrambi i casi e necessariorisolvere l’energia delle particelle incidenti con buona efficacia,eventualmente con un’alta precisione temporale. La struttura deirivelatori e analoga: materiali in grado di trasformare l’energiaincidente in modo che sia facilmente misurabile. Ad esempio unmateriale che emetta luce quando la radiazione interagisce con lasua struttura cristallina.Dunque la ricerca nell’ambito della fisica medica nucleare e stret-tamente legata alla ricerca in fisica delle particelle: del resto laprima beneficia in modo determinante della messe di innovazionigarantita dalla seconda. A richieste di frontiera corrispondono in-novazioni di frontiera, con risultati a cascata sui settori contigui oderivati. E interessante quindi scendere maggiormente nel detta-glio, e dire qualcosa di piu sui principali contributi della fisica, inquesto caso nucleare e subnucleare, al mondo della medicina.

Medicina nucleare diagnostica

Quello che si puo considerare come il trionfo piu longevo e uti-lizzato della fisica applicata alla medicina e senza dubbio il con-cetto di esame radiografico, la possibilita di effettuare diagnosticaper immagini. Dai piu banali esami radiografici, ai piu comples-si concetti tomografici, lo sfruttamento delle radiazioni ionizzantiper ottenere immagini di strati o sezioni corporee del paziente eormai una pratica di routine nelle strutture ospedaliere. Il princi-pio si basa sul comportamento dei fotoni (nel nostro caso fotonienergetici, detti anche raggi X) che attraversano la materia. Essisono attenuati in misura esponenzialmente decrescente, in dipen-denza dal tipo di materiale attraversato. Di conseguenza sono iltipo e lo spessore di materiale attraversato a influire sulla quantitadi fotoni raccolti dai rivelatori. Nel caso di una TAC acquisen-do immagini da posizioni diverse e possibile ricostruire i profilidi densita all’interno del corpo, ovvero visualizzare le strutturecorporee. Questo tipo di esame e spesso affiancato o utilizzato inalternativa ad altre metodologie diagnostiche, come la risonanzamagnetica o la tomografia a emissione di positroni. La PET (Po-sitron Emission Tomography) e una tecnica di medicina nuclearedi ambito diagnostico. Ormai largamente utilizzata nella diagnosioncologica, permette, grazie alla peculiare caratteristica di alcu-ni decadimenti radioattivi, di mappare l’attivita metabolica dellecellule e individuare con maggiore facilita i tumori. In particola-re al paziente viene fornito un farmaco al quale e agganciato unradio isotopo, il Fluoro-18. Una volta ingerito, questo farmaco,chimicamente analogo a uno zucchero, viene recepito da cellu-le con alto utilizzo di glucosio, in particolare da quelle tumorali.Una volta raggiunte in modo parzialmente selettivo le cellule tu-morali, e necessario definire una modalita per poterle individua-re con uno scanner all’esterno del corpo. In quest’ottica siamoaiutati dalle caratteristiche di un particolare tipo di decadimento:il β+. Questo tipo di fenomeno, che caratterizza un radioisoto-po come il Fluoro-18, determina la produzione di una particellasubatomica, il positrone, anti-particella dell’elettrone. Quest’ul-timo, incontrando uno degli elettroni nella materia circostante,reagisce mediante il meccanismo dell’annichilazione. Per ragionicinematiche1, il risultato di tale processo e una coppia di fotoniemessi in direzioni opposte. Siamo in grado di rivelare questi fo-toni con rivelatori simili a quelli utilizzati nei grandi esperimentidi fisica delle particelle. Grazie alla rivelazione di questi due fo-toni e possibile risalire alla linea lungo la quale sono stati emessi

1 Per la conservazione dell’impulso.



Figura 1 – I cristalli scintillatori per rilevatori di particelle (in questocaso, per l’esperimento CMS presso LHC) sono usati anche negli scan-ner PET. Foto di Peter Ginter (2004). Credit: CERN (cds.cern.ch/record/808282).

e dove quindi si trovava lo zucchero che ha emesso il positrone.Accumulando misure simili possiamo ricostruire una serie di li-nee realizzando una mappa della concentrazione dello zuccheroradioattivo nel paziente. A questo punto zone che rivelano unapiu alta concentrazione di questo zucchero segnalano un metabo-lismo anomalo, e di conseguenza possono segnalare la presenzadei tumori.Uno dei campi piu promettenti nell’ambito della PET e la co-siddetta time of flight PET. Per migliorare il rapporto tra i fo-toni interessanti rivelati e quelli che invece provengono da altresorgenti, e possibile sfruttare l’informazione temporale che tra-sportano. Grazie a elettroniche particolarmente veloci e a cristallialtrettanto rapidi si aggiunge alla linea di risposta individuata daidue rivelatori, una seconda informazione, il tempo di arrivo deisingoli fotoni2. Questo permette di restringere, lungo la linea, laposizione della sorgente dell’evento particolare. I vantaggi gene-rati da quest’approccio si riversano sull’intera catena diagnostica:migliorando la qualita dell’immagine e possibile ridurre i tempidi esposizione, in modo da effettuare esami piu rapidi e di fornireal paziente una dose di farmaco radioattivo inferiore.A questo proposito sono molteplici le linee di ricerca seguite inun congiunto sforzo di progetti europei coinvolgenti le piu impor-tanti istituzioni di ricerca. A partire dall’ingegneria dei materia-li destinati a costituire il cuore dei rivelatori. Ovvero il reticolodove le particelle interagiscono dando luogo a produzione di lu-ce misurabile. Questa produzione e determinata dalle proprietaspecifico del cristallo considerato, dalla sua composizione, dal-

2 La difficolta della misura sta nel fatto che ovviamente i fotoni simuovono alla velocita della luce e la distanza degli strumenti di ri-velazione dal paziente non puo essere troppo grande. Si tratta quindidi misure ad altissima risoluzione temporale.

la sua densita, dalle proprieta ottiche. A questo si affianca, nellaricerca estrema di precisione temporale, l’approfondimento delletecnologie elettroniche, tanto analogiche quanto digitali, che con-sentono di trasferire l’informazione di luce prodotta in segnaleelettrico misurabile. Gli obiettivi sono particolarmente ambizio-si, mirando a migliorare fino a cinque volte i parametri operatividelle macchine oggi disponibili in commercio.

Terapie a base di radiazioni

Anche nell’ambito della terapia dei tumori la fisica e stata in gra-do di modificare profondamente gli approcci della medicina. Lapossibilita di utilizzare radiazioni ionizzanti per colpire i tumorisi e affermata con varie finalita, tanto curative quanto palliative.Ancora una volta il principio di funzionamento deriva direttamen-te dalle peculiarita dell’interazione delle particelle con la materia.Le radiazioni, un fascio piu o meno energetico di particelle, ele-mentari (fotoni, elettroni) o non elementari (protoni, neutroni),sono in grado di danneggiare il DNA del tessuto bersaglio. Uncerto numero di cellule danneggiate non e in grado di riparareil danno, e muore. Naturalmente i parametri rilevanti in questacircostanza sono due: il numero di cellule malate distrutte consuccesso e il numero di cellule sane danneggiate a causa della ra-diazione. Il primo influenza soprattutto le probabilita del pazientedi guarire dal tumore in questione, mentre il secondo e il respon-sabile di effetti collaterali, come l’insorgere di un nuovo tumore, amedio-lungo termine. Le terapie maggiormente utilizzate in am-bito medico sono basate su fotoni ed elettroni, e sono ormai consi-derati approcci standard alla cura dei tumori. Grazie allo sviluppodi tecnologie di accelerazione non dissimili da quelle che fannocorrere i protoni nel cuore di LHC si sono aperte nuove frontiere,come la terapia adronica, che utilizza fasci di protoni, neutroni oatomi piu pesanti (come l’ossigeno). Il vantaggio risiede soprat-tutto nel fornire trattamenti conformi, cioe di garantire l’adesionedel profilo di dose di radiazione fornita al volume del tumore, conun minore irraggiamento delle zone sane circostanti.


2013/09/calorimetri-lhc-e-pet/

Sull’autore

Nicolas Di Vara ([email protected]) e laureato in Fisica all’Universitadi Milano-Bicocca ed e dottorando nella stessaUniversita. Si occupa delle problematiche le-gate alla rivelazione di particelle in fisica medica e delle alteenergie, con particolare riferimento all’utilizzo di cristalliscintillanti. Dal 2011 lavora al CERN di Ginevra come MarieCurie fellow nell’ambito del progetto ENTERVISION.


Tomografia computerizzataa singolo fotoneLa sfida di inviare e raccogliere la luce attraverso un corpo umano

Frauke Roellinghoff(Universita Claude Bernard Lyon e Ion Beam Applications S.A.)

Una delle principali sfide della medicina modernaconsiste nella capacita di guardare dentro al corpoumano. Per millenni l’unica tecnica che permette-va di farlo era piuttosto drastica: si doveva tagliare,

aprire e guardare. Solo in seguito si scoprirono i raggi X e da al-lora sono stati sviluppati numerosi modi per fotografare e rappre-sentare il corpo umano. Dal punto di vista del paziente, una simileabbondanza di tecniche puo confondere e disorientare. Permette-temi, allora, di svelarvi una parte del mistero. Stiamo parlando diuna tecnica radiologica denominata SPECT.

La S.P.E.C.T.

L’acronimo (i fisici che si occupano di medicina fanno spesso usodi acronimi!) significa Tomografia Computerizzata ad Emissionedi Singolo Fotone. Per spiegarne il significato partiamo dall’ul-tima lettera. La parola tomografia raccoglie tutte le tecniche ra-diografiche, ovvero quelle tecniche che fanno uso di una qualcheradiazione penetrante, incluso ogni tipo di particella dato che lafisica moderna permette di considerare queste ultime come un’on-da, allo scopo di riprodurre un’immagine di una fetta o di una se-zione di un oggetto o di una persona. La parola computerizzataindica che la ricostruzione dell’immagine richiede un processo dicalcolo piuttosto complicato. Le parole emissione di fotoni indi-cano che stiamo parlando di onde elettromagnetiche ad alta ener-gia1 che sono emesse dal paziente stesso. Infine, la parola singoloserve unicamente a distinguere questo tipo di tecnica radiologicadalla PET che si basa sulla rivelazione di coppie di fotoni. Se sianalizza la tecnica da un punto di vista fisico, ci sono due doman-de a cui rispondere: come faccio a far emettere fotoni da rilevareal corpo del paziente? E come faccio a trasformare le informazio-ni dei fotoni in un’immagine piu precisa possibile, insieme a unasomministrazione di dose ridotta di radiazioni?

Alla domanda su come produrre fotoni all’interno di un corpo sirisponde facilmente: si utilizzano, di solito, radioisotopi che il pa-ziente assume per ingestione o per iniezione. Si utilizzano radioi-sotopi di molecole biologiche il cui percorso all’interno dell’ana-tomia umana puo essere tracciato. Il percorso fatto dalle molecoleall’interno del corpo puo fornire informazioni sulla funzione e sul

1 In fisica l’energia di radiazioni e particelle e spesso misurata in elet-tronvolt (eV): si tratta dell’energia acquisita (o persa) da un elettro-ne immerso in una differenza di potenziale di un Volt (nel vuoto). Imultipli piu usati sono i keV (103 eV) e i MeV (106 eV).

metabolismo del tessuto che e sotto esame. Ad esempio gli iso-topi dello Iodio si accumulano nella tiroide e la loro distribuzioneall’interno della ghiandola mostra se la ghiandola funziona corret-tamente o se, per esempio, vi sia una crescita tumorale all’interno.Questa e quella che si chiama radiografia a emissione. Spesso aquesta tecnica di emissione se ne accoppia una a trasmissione:in questo caso la sorgente, con caratteristiche note, e posizionataall’esterno del corpo e lo irraggia, e si misura l’attenuazione deifotoni in relazione al tipo di tessuto, permettendo di correggere leimmagini ottenute per emissione.

Isotopo Energia (keV) Tempo di dimezzamentoTecnezio-99m 140 6 ore

Iodio-123 159 13 oreIodio-131 159 8 giorniIndio-111 171 67 oreTallio-201 167 3 giorniGallium-67 93÷393 3.3 ore

Dato che i fotoni utilizzati dalla tomografia ad emissione sonomolto piu energetici dei fotoni della luce visibile, ottenere un’im-magine e molto piu complesso. Le stesse proprieta fisiche chepermettono ai fotoni energetici di attraversare il corpo umano edi mostrarci l’immagine degli organi interni rendono difficile fer-marli e raccogliere l’immagine. Per prima cosa non e possibileutilizzare delle lenti di vetro per metterli a fuoco e una semplice

Figura 1 – Esempio di uno scanner SPECT. Credit: Wikimedia.



lastra non e sufficiente per rivelarli. Per focalizzare i fotoni adalta energia sono disponibili innumerevoli tecniche. L’approcciopiu semplice consiste in quella denominata Anger camera, natada un’idea sviluppata da Hal Anger nel 1958 [5]. Sostanzialmen-te l’idea consiste nell’utilizzare un materiale denso capace di as-sorbire radiazioni (quali, ad esempio, il Piombo o il Tungsteno)che viene posizionato come un schermo davanti al rivelatore eche puo essere attraversato solo da fotoni che viaggiano in unacerta direzione. Ad esempio se consideriamo un pinhole, ovve-ro una fenditura circolare sul foglio di metallo, tutti i fotoni cheriusciranno ad attraversare il foglio saranno quelli che converge-ranno verso la fenditura. Possiamo approssimare questa ultimacome un singolo punto da cui i fotoni usciranno formando unaimmagine capovolta. Un’altra soluzione consiste nel collimatoredetto parallel hole che permette il passaggio solo dei fotoni cheviaggiano perpendicolari (formano un angolo di 90◦) al foglio equindi proietta un’immagine non capovolta. Per ognuno di questicollimatori esiste un valore di trade-off : se il collimatore e tropposelettivo riusciranno a passare solo pochi fotoni che formerannoun’immagine molto debole. Se invece dovesse essere poco seletti-vo si otterranno immagini con una bassa risoluzione. La maggiorparte della fatica spesa nello sviluppare questa tecnologia consi-ste nel trovare un equilibrio corretto tra precisione e risoluzione.Per rivelare i fotoni e necessario contare le interazioni che i fotonieffettuano con il rilevatore. Le interazioni che avvengono tra fo-toni di questa energia e materia sono principalmente la diffusioneCompton, l’effetto fotoelettrico e la diffusione coerente. Ciascunadi queste interazioni lascia sul rivelatore dell’energia depositatache viene convertita in un segnale elettronico. Dal momento chesi conosce l’energia del fotone interagente e possibile seleziona-re solo quei segnali che corrispondono a tale energia. In questomodo possiamo ridurre il rumore casuale ed eliminare la maggiorparte dei fotoni che hanno gia diffuso nel paziente o all’internodel collimatore.Fino ad ora abbiamo parlato solo di immagini piatte o 2D delpaziente che mostrano la somma di tutti i fotoni emessi lungola direzione di osservazione dell’apparato. Una implementazio-ne possibile consiste nel prendere molte immagini da angolatu-re differenti, operazione che puo essere effettuata utilizzando di-versi rivelatori disposti intorno al paziente oppure, in modo piueconomico, facendo ruotare uno o due rivelatori attorno al pa-ziente. In questo modo si puo ricostruire l’intensita di emissioneper ogni unita di volume detta voxel (si immagini il voxel co-me un pixel tridimensionale) riuscendo a ottenere una fotografiatridimensionale del paziente.

Non solo fotoni

La SPECT e una tecnica ben consolidata, ma questo non significache non si possa fare ricerca. Ad esempio io seguo un progettoche, sebbene non riguardi direttamente la SPECT, persegue l’o-

Figura 2 – Schema di funzionamento dell’imaging mediante promptgamma. Credit: medicalphysicsweb.org.

biettivo di trasferire i principi di funzionamento di questa ultimaa un’applicazione leggermente differente [6]. Il mio campo diricerca e individuato col termine adroterapia e consiste nell’ir-raggiare le cellule tumorali con particelle adroniche (tipicamenteprotoni o ioni leggeri) [7].

Questo tipo di terapia permette di irraggiare solo la zona colpitada tumore con alta precisione non toccando il tessuto sano attornoalla massa tumorale. Ha tuttavia un difetto, ovvero non e possibilesapere se le radiazioni siano rilasciate esattamente dove si vorreb-be. Tale difetto non e da attribuire alla mira della macchina chee molto precisa, ma alla possibilita che possa avvenire un picco-lo disallineamento o un cambiamento nella posizione anatomicadel paziente: questi errori possono sommarsi fino a raggiungerel’ordine del centimetro. Per affrontare questo problema i fisici ag-giungono un margine attorno al volume del tumore per garantireche la neoplasia venga completamente irradiata. Fortunatamenteesiste un fenomeno da cui possiamo trarre vantaggio: le particel-le che interagiscono con i tessuti del paziente lasciano dei nucleieccitati che possono emettere fotoni. Alcuni di questi fotoni sonodetti prompt gamma e sono emessi molto velocemente, in tempidell’ordine del nanosecondo, e permettono di vedere l’immaginetridimensionale in tempo reale mentre si interviene sul paziente,come schematizzato in Figura 2. Questi fotoni possono essererivelati nella stessa maniera con cui funziona la SPECT di cuiabbiamo parlato.

Ci sono delle differenze che rendono questa applicazione moltopiu impegnativa. La prima, la piu importante, e il tempo limita-to a disposizione per l’acquisizione delle immagini. Dato che loscopo principale e quello terapeutico e non radiografico, e natura-le che l’irraggiamento venga fermato non appena la dose necessa-ria alla funzione curativa sia raggiunta; in questo caso il numero



di fotoni che sono stati raccolti potrebbe essere basso. Un’altradifferenza importante e legata allo spettro di emissione continuoche non permette di selezionare un’energia definita come inveceaccade nell’utilizzo dei radioisotopi. Inoltre lo spettro di energiaraggiunge valori piuttosto alti (sopra i 10 MeV) e ottimizzare ilcollimatore puo essere complicato. Ci sono, al momento, diversiprogetti che riguardano questo argomento, la maggior parte anco-ra in fase di sviluppo o di realizzazione di prototipi. Ci auguriamoche presto questo trattamento sia disponibile in ogni centro di cu-ra e il sistema diventi piu preciso in modo da ridurre i margini diintervento e ridurre al minimo gli effetti collaterali.

Bibliografia

[5] Anger H. Scintillation Camera with Multichannel. In , pp.515–531 (1964)[6] Freeman T. Can prompt gammas monitor in real time? InMedical Physics web. URL http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/49909

[7] Wernick M. e Aarsvold J. Emission tomography: the fun-damentals of PET and SPECT. cap. 7: Single photon emissioncomputed tomography, pp. 127–151 (2004)


2013/09/tomografia-a-singolo-fotone/

Sull’autore

Frauke Roellinghoff ([email protected]) etitolare di una borsa di ricerca Marie Curienell’ambito del progetto europeo ENTERVI-SION. Al momento e impegnata con il suo dottorato in fisicamedica sullo sviluppo e il confronto di due camere collimateper la dosimetria nella radioterapia con protoni insieme allaUCBL (Universita Claude Bernard Lyon) e l’IBA (Ion BeamApplications S.A.).

Phantoms cliniciTradurre la ricerca in pratiche cliniche:i test su organi sintetici

Thiago V.M. Lima(CERN, Ginevra)

Negli ospedali, i fisici servono a verificare come i di-versi trattamenti radiografici e radioterapici possa-no tradursi in un miglioramento dei risultati per ilpaziente. La complessita di tali trattamenti innova-

tivi si manifesta in diverse forme come ad esempio l’utilizzo didiverse particelle (carbonio, protoni e altri ioni che si usano nellaterapia ad adroni) per trattare i pazienti o nel modo in cui tali par-ticelle vengono utilizzate. La condizione principale per adottaretali trattamenti si basa sul non procurare alcun danno al pazientestesso, ed e qui che vengono in aiuto i cosiddetti medical phan-toms. Si tratta di oggetti specificamente designati per valutare laprestazione dell’equipaggiatura e si usano per testare sia l’ima-ging che i metodi di trattamento terapeutico. Ci sono differentitipi di phantoms usati per scopi clinici: alcuni rappresentano fe-delmente l’anatomia umana mentre altri verificano riproducibilitae affidabilita del trattamento.Quello che fanno i diversi phantoms e provare a emulare i possi-bili scenari clinici da valutare, come ad esempio materiali a diver-sa densita che servono per studiare gli effetti delle inomogeneita(il petto umano contiene materiali ad alta densita come le ossa, ipolmoni sono invece a bassa densita perche pieni d’aria e ci sonoanche materiali a densita intermedia come altri tessuti e organi).Altri phantoms sono relativi allo studio della fisiologia di strut-ture specifiche, come ad esempio il ciclo cardiaco (contrazionecardiaca, cfr. Figura 1).

Sperimentare su pazienti fantasma

Nel caso della radioterapia e dell’adroterapia, si mira a ucciderele cellule cancerose danneggiandone il DNA. Quando tale dan-neggiamento si verifica, la cellula riesce a ripararlo, ma cio di-pende dall’entita del danno. L’adroterapia usa il principio secon-do cui una particella piu grossa e pesante (la massa del carbonio12 moltiplicata per la massa del protone e 10 mila volte quelladell’elettrone) ha maggiore possibilita di interagire durante il suotragitto attraverso la materia (ha densita ionizzante piu elevata equindi provoca maggiore danneggiamento, cfr. Figura 2). Questeinterazioni sono responsabili per dose fornita e danno creato.La terapia a adroni usa i principi della conformita alla miglioredose e degli effetti biologici, rispetto invece ai convenzionali trat-tamenti a raggi X. Ci sono numerose forme di trattamento cheusano raggi X e sono presenti nella maggior parte degli ospedalidel mondo, essi hanno assunto diversi nomi come radioterapia,braquyterapia, teleterapia, tomoterapia, etc. Attualmente l’insie-

me di conoscenze in questo campo riguardo a come la dose uti-lizzata influisca sul risultato clinico (ossia come i diversi tipi dicancro reagiscano alla dose usata) riguarda soprattutto la terapiaa raggi X, quindi si effettua la conversione di tale conoscenza al-l’adroterapia. A tale scopo una quantita chiamata efficienza biolo-gica (relative biological effectiveness, RBE) e stata introdotta permisurare l’efficienza dei diversi tipi di radiazione. Tale RBE variaa seconda di diversi fattori, quali il tipo di particella, la particolarecellula, ecc. Sebbene complicato da calcolare clinicamente, essorappresenta l’unica maniera di tradurre l’esperienza clinica otte-nuta coi raggi X in altri tipi di radiazione. Nella pratica clinicaservono pero complicate estrapolazioni dei fattori coinvolti per ilcalcolo dell’adatta dose terapeutica.

Oggi ci sono due diversi approcci al calcolo della dose RBE clini-ca: uno e usato allo HIMAC in Giappone [8] e l’altro e adottato inEuropa, essendo stato sviluppato dal Gesellschaft fur Schwerio-

Figura 1 – Diversi tipi di phantoms, ciascuno relativo al petto umano.Quello in alto rappresenta la struttura anatomica del petto con le ossa, ipolmoni e altri tessuti molli. Credit: www.kyotokagaku.com. Quel-lo in basso e un phantom dinamico cardiaco e rappresenta la fisiologiadel cuore umano. Da www.ptw.de.



nenforschung (GSI) [9]. Allo HIMAC, la dose RBE e calcolataattraverso un’equivalenza stabilita empiricamente tra l’esperien-za del NIRS sia con carbonio che com elettroni. Il GSI ha invecesviluppato il proprio modello biofisico chiamato local effect mo-del (LEM). La sua principale assunzione e che il danno biologicoe determinato dalla dose locale, da cui il nome. Ma per bene-ficiare pienamente dei vantaggi dell’adroterapia, sono senz’altronecessarie ulteriori ricerche.

Il progetto europeo ENTERVISION

ENTERVISION e un progetto europeo strutturato per trattarequesti temi. ENTERVISION1 si divide in quattro pacchetti di la-vori (WP), dallo studio di nuove idee e materiali per gli strumentidi imaging che servano a monitorare meglio la localizzazione deitumori e per il loro trattamento (WP1 e WP2), al calcolo del-la dose di utilizzo e dei processi fisici allo scopo di verificarnegli effetti biologici (WP3 e WP4). Come parte del WP4, sonocoinvolto nello sviluppo di un phantom biologico dosimetrico cheserva per lo studio di tali effetti biologici e che possa quindi pro-durre migliori trattamenti. Durante lo sviluppo di un phantom,molto lavoro serve nella fase di design, in quanto diversi scenarivanno considerati, come ad esempio il materiale usato, il tipo didetector e la quantita, la forma finale, la mobilita, i costi, ecc. Peresempio, il materiale selezionato sara in grado di rappresentarefedelemnte cio che vogliamo misurare? Quali detectors possiamousare e come si devono organizzare? Per il WP4 in ENTERVI-SION alcune delle risposte sono state chiarificate meglio di altre,per esempio l’uso delle camere a ionizzazione come detectors.Questi sono i detectors piu facilmente reperibili e meglio studiatiper l’adroterapia in quanto sono usati nell’ordinaria assicurazionedi qualita. Per quanto riguarda il materiale scelto, per l’adrotera-pia l’equivalenza di impatto con l’acqua e molto importante alloscopo di ottenere la corretta profondita nel calcolo della dose. Ciosi misura come la lunghezza di cammino equivalente dell’acqua,o WEPL, ossia quanto spesso un blocco d’acqua deve essere perfornire la stessa attenuazione data dalla profondita del materialeselezionato. Sebbene nello scenario ideale il WEPL del materialedovrebbe essere il piu possibile vicino a 1, il suo costo e la suadifficolta di manipolazione (taglio, perforazione, etc.) vanno presiin considerazione.

Non esiste un accordo universale circa il metodo di calcolo delladose biologica e molti studi hanno mostrato che si possono otte-nere risultati equivalenti a meno di un fattore [10] e cio mostrala necessita di ulteriore ricerca. Queste sono alcune delle doman-de a cui speriamo di rispondere una volta che il prototipo finalesara pronto, in quanto saremo in grado di testare diversi tipi diradiazione e tutte le variabili della cellula (il suo tipo, il livello

1 Pagina ufficiale: entervision.web.cern.ch.

Figura 2 – Effetti delle differenti densita di ionizzazione nel DNA.

di ossigeno, la temperatura, ecc.) che contribuiscono al calcolodella dose biologica.

Bibliografia

[8] Kanai T. et al. Biophysical characteristics of HIMAC clinicalirradiation system for heavy-ion radiation therapy. In Int J RadiatOncol Biol Phys, vol. 44:201–210 (1999)[9] Scholz M. et al. Computation of cell survival in heavy ionbeams for therapy. The model and its approximation. In RadiatEnviron Biophys, vol. 36:59–66 (1997)[10] Uzawa A. et al. Comparison of biological effectiveness ofcarbon-ion beams in Japan and Germany. In Int J Radiat OncolBiol Phys, vol. 73:1545–1551 (2009)


2013/09/phantoms-clinici/

Sull’autore

Thiago Viana Miranda Lima ([email protected]) e entrato nel Gruppodi Trasferimento Tecnologico del CERNnel Febbraio 2012 in qualita di Marie CurieExperienced Research Fellow nell’ambito del progettoENTERVISION. Prima di giungere al CERN, Thiago ha la-vorato presso il Dipartimenti di Fisica Medica dell’OspedaleUniversitario di Oxford, dove ha avuto modo di lavorarenella sezione di Medicina Nucleare ed e stato coinvolto inattivita di controllo della qualita di varie apparecchiature diimaging (PET, TAC, SPECT) e di protezione dalle radiazioni(soprattutto radioterapia molecolare).


Il Monte Carlo el’adroterapiaSimulare la realta per controllare al meglio un’esperimento reale

Pablo Garcia Ortega, Carlo Mancini(CERN, Ginevra)

No , non si tratta di un errore, il riferimento non e allacitta del principato monegasco, ma a una tecnicausata per simulare processi complessi, che proprioa Montecarlo – citta famosa per i suoi casino – deve

il nome.Il metodo Monte Carlo consiste in un algoritmo che riproduceuna serie di realizzazioni possibili del fenomeno che si intendestudiare, in cui ogni evenienza compare con la probabilita che lastessa ha nella realta1.Immaginiamo di voler calcolare la probabilita che la pallina di unflipper cada direttamente in mezzo alle due alette senza che il gio-catore possa intervenire, come in Figura 1. La dinamica di un talesistema e troppo complicata per essere analizzata dal punto di vi-sta matematico (analitico), dato che piccole variazioni nel lancioiniziale potrebbero far cadere la pallina in punti completamentediversi. Per affrontare il problema dovremmo quindi realizza-re un esperimento, lanciando tante palline con un flipper vero.Ovviamente il nostro esperimento richiederebbe molto tempo enon sapremmo dire se posizionare un elemento in piu sulla tavolaaumenti o meno la probabilita di osservare l’evento a cui siamointeressati. L’alternativa e quella di fare un esperimento virtua-le, un Monte Carlo! Dovremmo quindi realizzare un programmache simuli il nostro esperimento, riproducendo l’interazione dellapallina con tutti gli elementi presenti sul piano e poi lanciare vir-tualmente tante palline con energie diverse. Ma non e detto chetutte le energie di lancio siano equiprobabili, quindi dovremo si-mulare anche la distribuzione di probabilita delle energie inizialidella pallina. Il risultato (il numero di volte che la pallina passain mezzo alle alette, in modo che il giocatore non possa giocare,diviso il numero di lanci fatti fino a quel momento) sara semprepiu accurato all’aumentare del numero di lanci virtuali fatti. Unavolta prodotto un numero abbastanza grande di eventi si possonoeseguire delle misure, procedimento che consiste nel simulare larisposta degli strumenti di misura sulla serie delle evenienze ge-nerate. Per esempio potremmo misurare il numero medio di urticon un elemento della tavola, o anche misurare (sempre virtual-mente) l’energia dissipata in media dalla pallina nell’urto con unelemento, misura questa che sarebbe molto difficile da realizzarein un esperimento reale.Il metodo Monte Carlo permette quindi non solo di stimare qualesara il risultato di un esperimento prima (o invece) di realizzarlo,ma anche di interpretarne i dati e ottimizzarlo. Del resto la realtavirtuale ormai e parte delle nostre vite, i videogame sono in grado

1 Ma le si puo assegnare anche un peso statistico ad-hoc.

Figura 1 – Un flipper del 1995: “Theatre of magic”. Credit: Wikipedia.

di simulare la realta in modo stupefacente e le console di gio-co integrano quasi tutte dei processori dedicati alla simulazionedei processi fisici, non dovrebbe sorprendere che le simulazionigiochino un ruolo cruciale negli esperimenti di Fisica!Le origini del metodo Monte Carlo risalgono alla prima meta de-gli anni ’40, quando nell’ambito del Progetto Manhattan EnricoFermi, John von Neumann e Stanisław Marcin Ulam lo forma-lizzarono. Il nome Monte Carlo gli fu attribuito in seguito daNicholas Constantine Metropolis in riferimento alla nota tradizio-ne nei giochi d’azzardo dell’omonimo principato. La diffusionedelle tecniche di simulazione ha seguito ovviamente la diffusionedei computer e, grazie alla grande capacita di calcolo di oggi, epraticamente onnipresente negli esperimenti di Fisica.

La progettazione di un esperimento

Come nel nostro esperimento del flipper, anche negli esperimentiveri le simulazioni Monte Carlo sono usate in modo intensivo findalla progettazione di un esperimento, per valutare quali sarannole caratteristiche che l’esperimento dovra avere per poter misurarele quantita desiderate. Vengono poi usate per progettare e ottimiz-zare i detector e successivamente per interpretarne i segnali. Ad



esempio nella Figura 2 sono riportati i dati sperimentali misuratidall’esperimento ATLAS e le previsioni della simulazione MonteCarlo. E ovviamente cruciale che la simulazione riproduca il piupossibile i dati che verranno prodotti nel momento in cui l’esperi-mento acquisira dati, altrimenti sarebbe quasi impossibile risaliredai segnali prodotti dai detector ai processi che li hanno generati:lo sviluppo del software che ricostruisce l’evento che ha generatoi segnali si basa proprio su processi di simulazione.

Il Monte Carlo in Fisica

Sono stati sviluppati molti programmi nel corso degli anni perottenere delle simulazioni realistiche: quando si parla di simula-zioni dedicate agli esperimenti di Fisica delle particelle si parladi simulare milioni di interazioni in cui, a seconda dell’energiain gioco, le particelle possono essere annichilite e altre create, lenuove particelle possono decadere e quando attraversano un mate-riale interagire con i suoi atomi, producendo a volte una correnteelettrica, altre volte lampi di luce, altre ancora un innalzamento ditemperatura.Tecniche Monte Carlo sono utilizzate anche per stimare la quan-tita di radiazione prodotta, non solo in esperimenti, ma anche inqualunque tipo di struttura faccia uso di sorgenti radioattive perprogettare gli schermi e le procedure di sicurezza.

Figura 2 – I punti neri sono riportati i dati misurati dall’esperimentoATLAS, in rosso e in viola le previsioni della simulazione Monte Carlo dieventi dovuti ad altri processi gia noti, la differenza fra la previsione dellasimulazione e i dati effettivamente misurati e riportata sotto in verde.L’eccesso e compatibile con il segnale che si otterrebbe se fosse generatodal bosone di Higgs e se questo pesasse 125 GeV, come si vede nellasimulazione in azzurro.

Le applicazioni mediche del Monte Carlo

Oltre che nella ricerca di base, si usano le simulazioni in un’e-norme varieta di campi diversi, dalla biolgoia alle telecomunica-zioni, dalla matematica alla fisica medica. In quest’ultimo caso,per esempio, la simulazione dei processi di trasporto e cruciale inogni fase dei trattamenti anti-tumorali di radioterapia. L’idea allabase della radioterapia prevede l’uccisione delle cellule tumora-li mediante danni irreparabili al loro DNA causati da particelleo radiazioni ionizzanti. A prescindere dalla particella specificausata durante il trattamento, il principio fisico di base e semprelo stesso: depositare una dose sufficiente di radiazioni (misuratacome energia per unita di massa) nella zona di tessuto interessataper garantire la distruzione di tutte le cellule tumorali. Lo scopofondamentale e trovare un modo per conoscere in anticipo dovequeste particelle rilasceranno la propria energia, in modo da foca-lizzare i fasci proprio sull’area del tumore, limitando il piu possi-bile un’irradiazione accidentale dei tessuti sani circostanti. Quel-lo del trasporto di particelle nei tessuti biologici e un problemacomplesso, non solo a causa della difficolta di descriverlo mate-maticamente attraverso la risoluzione dell’equazione del trasportodi Boltzmann2, ma anche per via dell’intrinseca eterogeneita delcorpo umano. Tradizionalmente in fisica medica si usa il cosid-detto Sistema di Pianificazione del Trattamento (Treatment PlanSystems, TPS), un software specializzato che sfrutta modelli ana-litici per simulare la distribuzione tridimensionale della dose dasomministrare al paziente a partire dai suoi bisogni definiti in se-de diagnostica. L’uso di soluzioni analitiche approssimate e utilein molti casi, per esempio ci sono metodi sufficientemente velocie accurati nel caso della radioterapia a raggi X e a elettroni. Ne-gli ultimi decenni, pero, protoni e vari tipo di ioni sono diventatiun’alternativa molto valida e diffusa alle particelle appena men-zionate. In particolare, se si analizza il rilascio della dose lungola direzione del fascio all’interno di un materiale si vede che ladistribuzione differisce notevolmente in base al tipo di particellautilizzata. Per gli elettroni e i raggi X il massimo della dose e de-positata proprio nel punto di ingresso del fascio nel materiale. Perprotoni e ioni, invece, questo massimo e localizzato vicino al ter-mine del loro percorso, poco prima dell’ostacolo che blocca deltutto le particelle. In questo punto la distribuzione della dose se-gue un profilo con una struttura a picco chiamata picco di Bragg,in onore di William Henry Bragg che per primo lo descrisse nel1903. Questo peculiare rilascio di dose, che avviene in un pun-to specifico all’interno del materiale in esame, e estremamenteinteressante nel caso di un tumore localizzato in profondita e cir-condato interamente da tessuto sano (e potenzialmente vitale). E

2 E un’equazione che descrive la distribuzione statistica delle parti-celle in un fluido e nell’ambito della meccanica statistica di nonequilibrio si usa per studiare come un fluido trasporta quantita fi-siche quali ad esempio il calore, la carica o, appunto, particelle divario genere.



T. Böhlen 29Mar. 2012

Nuclear fragmentation

Geometrical cross section with transparency term b

Most important: charged projectile fluences (Z=1-6)

Have to be taken into account by TPS!

• Fraction of the carbon ions fragmenting before the Bragg peak: some 10%

• Fraction of beam energy deposited by other ions: some 10%

Figura 3 – Schema della frammentazione del carbonio.

evidente che la profondita di penetrazione del fascio di particelledipende dall’energia del fascio stesso: ecco quindi che variandol’energia iniziale si puo rilasciare la dose richiesta in qualsiasipunto all’interno del corpo del paziente da trattare.

Ovviamente la precisa collocazione di dove la dose viene rila-sciata e cruciale per questo tipo di trattamenti e una simulazio-ne Monte Carlo e lo strumento ideale per fare questo tipo dipredizioni, soprattutto per quello che riguarda gli ioni pesanti,come il carbonio, che oltre a interagire con il mezzo possonoframmentarsi.

T. Böhlen 50Mar. 2012

mGy

TPS

FLUKA

mGy

metallicimplants

K. Parodi et al, IJROBP 2007

MC versus TPS for proton therapy @ MGH

Prescribed dose: 2 GyEMC : ~ 7.4 107 p in 12 independent runs(~ 130h each on 2.2 GHz Linux cluster)

Figura 4 – Confronto fra la dose prevista da un software numerico euno Monte Carlo (FLUKA) nel caso in cui siano presenti degli impiantimetallici. Credit: K. Parodi et al, IJROBP 2007.

Ad oggi le simulazioni Monte Carlo sono usate per controllare ipiani di trattamento fatti con algoritmi numerici, simili a quelliusati per i trattamenti con raggi X ed elettroni, dal momento cherichiederebbe troppo tempo ottimizzare il piano di trattamentodirettamente con una simulazione completa.La previsione della frammentazione del carbonio e proprio unodei temi su cui si focalizza la ricerca e anche il nostro lavoro.Studiare questo fenomeno e importante perche la diffusione deiframmenti all’interno del corpo distorce la distribuzione della do-se rilasciata (cfr. Figura 3). Inoltre si sta cercando un modo disfruttare questi frammenti per poter ricavare delle immagini intempo reale della zona su cui si sta operando, cosı da permettereun controllo diretto del posizionamento e della quantita di doserilasciata nel paziente. L’uso di una simulazione Monte Carlo perverificare la dose depositata nel paziente e particolarmente im-portante quando ci sono bruschi cambi di densita, come ad esem-pio nelle vicinanze dei polmoni o nel caso in cui ci siano degliimpianti metallici, come si vede in Figura 4.

Una storia infinita. . .

In conclusione possiamo riassumere che il Monte Carlo e una tec-nica per simulare processi complicati, troppo per essere trattatiin modo analitico. Nel caso dell’adroterapia, simulazioni MonteCarlo vengono usate sia in ricerca che nelle cliniche per la proget-tazione, sia degli esperimenti che degli schermi e delle proceduredi sicurezza, per verificare i piani di trattamento e per studiarenuove tecniche di verifica dei trattamenti.


2013/09/montecarlo-e-adroterapia/

Sull’autore

Pablo Garcia Ortega ([email protected])ha conseguito il dottorato in Fisica presso l’U-niversita di Salamanca (Spagna). Attualmentelavora al CERN con una borsa Marie Curie esi occupa di simulazioni a LHC e adroterapia usando soft-ware Monte Carlo (FLUKA) per il calcolo delle proprieta ditrasporto.Carlo Mancini Terracciano ([email protected]), laureato in Fi-sica all’Universita Sapienza di Roma eattualmente dottorando presso Roma Tre esta lavorando presso il CERN come Marie Curie Fellowper il progetto ENTERVISION sullo sviluppo di softwareMonte Carlo (FLUKA) per l’adroterapia. E fra i fondatoridell’associazione ONLUS Accatagliato e redattore dellarivista Accastampato.


Il centro italiano perl’adroterapia oncologicaUn centro di eccellenza internazionale per le terapie adroniche del cancro

Roberto Orecchia, Sandro Rossi(CERN, Ginevra)

Il Centro Nazionale per l’Adroterapia Oncologica (Natio-nal Centre for Oncological Hadrontherapy, CNAO) hainiziato la sua attivita nel Seettembre 2011 con un primotrattamento sperimentale basato su fasci di protoni, men-

tre e del Novembre 2012 il primo paziente sottoposto a terapiacon ioni carbonio. Entrambi gli eventi hanno rappresentato dellenovita assolute nello scenario sanitario italiano.

Figura 1 – Vista dall’alto dell’area occupata dal CNAO. Di fronte all’in-gresso principale sorge l’edificio dell’ospedale, mentre sul retro c’e lacentrale elettrica e la copertura del sincrotrone usato per l’accelerazionedei fasci terapeutici. Credit: ENLIGHT.

La fondazione

La fine della fase di costruzione del Centro e stata celebrata conl’inaugurazione ufficiale il 15 Febbraio 2010, mentre la secondafase di trials clinici e iniziata subito dopo. E durata ben tre anni,dal 2010 al 2013, e ha permesso di convalidare scientificamen-te le tecniche adroterapiche per il trattamento dei tumori secondoun’ampia varieta di protocolli sperimentali e clinici. E stata an-che la base della successiva fase di ottimizzazione del numerodi pazienti ambulatoriali trattati, qualche migliaio l’anno, che hapermesso a sua volta di espandere gradualmente gli indicatori cli-nici e di introdurre un’attivita di ricerca clinica, radiobiologica etraslazionale1.Il trattamento dei pazienti mediante ioni carbioni e stato appro-vato nel Luglio 2012 dal Ministero della Sanita, in seguito a undettagliato rapporto compilato dal CNAO riguardo la dosimetria

1 In campo oncologico, la ricerca traslazionale verifica la possibilitadi trasformare le scoperte scientifiche che arrivano dal laboratorioin applicazioni cliniche per ridurre l’incidenza e la mortalita percancro.

e la radiobiologia con ioni carbonio, sia in vitro che in vivo. Que-sta attivita sperimentale era stata portata avanti nella prima partedel 2012 anche grazie alla collaborazione con l’Istituto Nazionaledi Fisica Nucleare (INFN) e l’Istituto Nazionale per le ScienceRadiologiche giapponese (NIRS). I dati presentati nel rapportohanno confermato le specifiche attese dei parametri dei fasci tera-peutici e ha anche dimostrato gli altissimi standard di sicurezza equalita offerti dal CNAO.

I primi mesi del 2012 sono stati importanti anche per quanto ri-guarda la gestione della qualita del centro, che nel luglio dellostesso anno ha ottenuto le certificazioni ISO 9001 e ISO 134852.Entrambe hanno rappresentato un passo fondamentale nella stra-da di ottenimento del marchio CE da parte del CNAO, necessarioper mettere in pratica i trattamenti di adroterapia su larga scala.

I numeri

La fine di Aprile 2013 ha visto 89 pazienti completare il propriociclo di trattamenti, di cui 75 all’interno di trials clinici e 14 nel-l’ambito di un programma di terapia solidale in cui i singoli casivengono approvati uno a uno da un Comitato Etico e dal Mini-stero. In tutto 59 pazienti sono stati tratta con protoni e 30 conioni carbonio. I pazienti sono giunti al CNAO da trenta diversiospedali di tutto il Paese, il che dimostra come stia nascendo unavera e propria rete oncologica per la gestione dei pazienti e il lorosmistamento nelle strutture piu adeguate per loro. Questo aspettoe cruciale e mostra come il CNAO sia una struttura nazionale: eproprio questo che assicura un’accoglienza efficiente dei pazientiche hanno necessita di terapie di questo tipo.

Nel Febbraio 2013 sono stati inviati al Consiglio Superiore di Sa-nita i risultati clinici di un primo protocollo (il CNAO 01/2011v2.0) riguardante il trattamento con protoni di 30 pazienti affet-ti da cordoma e condrosarcoma alla base del cranio3. I risul-tati, molto positivi, hanno dimostrato il pieno raggiungimento

2 Si tratta di norme e linee guida sviluppate Organizzazione interna-zionale per la normazione. La 9001 definisce i requisiti di un siste-ma di gestione per la qualita per una organizzazione: sono requisitidi carattere generale e possono essere implementati da ogni tipolo-gia di organizzazione. La 13485 si riferisce invece esplicitamentealle apparecchiature mediche.

3 Sono entrambe rare forme di tumore osseo maligno: il cordo-ma deriva dalle cellule dei residui embrionali della notocorda, ilcondrosarcoma origina dal tessuto cartilagineo.



Figura 2 – Camera di trattamento, con i sistemi usati per il posiziona-mento del paziente e la verifica del corretto allineamento con il fascio.Credit: ENLIGHT.

degli obiettivi del protocollo. Una commissione di tipo peer-review sta ora esaminando il rapporto e decidera se concedereil marchio CE al CNAO come centro medico per la sommini-strazione di tale procollo. Questa procedura sara necessaria perogni protocollo sviluppato in futuro, in quanto il marchio CE ri-chiede un’autorizzazione rilasciata individualmente dalle autoritasanitarie.

Il luogo

Il Centro sorge in un’area del comune di Pavia che ospita anchealtri ospedali e un campus universitario (cfr. Figura 1). La realiz-zazione del CNAO e basata su una rete di collaborazione moltostretta, che lo collega alle piu importanti istituzioni italiane e in-

ternazionali. In particolare, per quanto riguarda l’uso di tecnolo-gie all’avanguardia, un contributo fondamentale viene dall’INFN,che ha condiviso la gestione della realizzazione della struttura, eanche dal CERN e dal GSI. Questa rete ha assicurato una stret-ta collaborazione tra esperti all’interno del CNAO e continuera afarlo anche nel futuro.Nel 2013 e stato lanciato anche un programma di studio per lo svi-luppo di una linea sperimentale di produzione di fasci terapeutici.Nel giro di tre anni si assistera alla messa in opera di una sezionedi ricerca dedicata alla radiobiologia, allo sviluppo dei rilevatori,oltre che alla ricerca clinica e traslazionale. Il principale obiettivodel CNAO per quest’anno e l’aumento dell’efficienza nella ge-stione dei pazienti e l’approvazione della maggior parte dei trialsclinici in corso. All’inizio dell’anno e diventata operativa anchela terza camera di trattamento, che ha aggiunto due linee di fascio(una orizzontale e una verticale) a quelle, entrambe orizzontali,gia attive nelle altre camere (cfr. Figura 2).

Ristampa dell’articolo “The Status of CNAO at the beginning of2013” pubblicato su ENLIGHT HIGHLIGHTS del Giugno 2013:enlight.web.cern.ch/media/highlights.


2013/09/cnao_it/

Sull’autore

Roberto Orecchia e il direttore della divisione di radioterapiadell’Istituto Europeo di Oncologia (IEO) di Milano e il diret-tore scientifico della Fondazione CNAO.Sandro Rossi e il direttore tecnico e segretario generale delCNAO.

Come si misura un suono?Intensita, pressione e unita di misura relative

Martina Pugliese(Dipartimento di Fisica, Universita Sapienza di Roma)

Tipicamente identifichiamo uno stimolo sonoro cheudiamo (anche) attraverso il suo volume. Ma cosarappresenta questo esattamente e come lo si misura?L’unita di misura adottata per identificare il volume

e il decibel, abbreviato come dB, per cui il valore in decibel delvolume di un suono e definito, in termini di intensity level (IL)come

Volume in numero di decibelIL = 10log10

(II0

),

dove I e l’intensita del suono e rappresenta la potenza (energiadell’onda sonora trasferita nell’unita di tempo) divisa per la su-perficie attraversata dall’onda stessa. Si tratta cioe dell’energiatrasferita da un’onda sonora per unita di tempo e di superficie.I0 e un valore di intensita sonora adottato universalmente comepunto di riferimento, pari a I0 = 10−12W/m2. Tale valore si rife-risce alla minima intensita percepibile, mediamente, da un orec-chio umano ed e determinato dal piu basso valore di pressionedell’aria necessario per mettere in vibrazione il timpano.

Cio significa che il valore in decibel e proporzionale al logaritmoin base 10 del rapporto tra l’intensita del suono che ci interessae quella di un suono preso come livello standard di riferimento.Se chiamiamo u una generica onda acustica che si propaga neltempo e ne rappresentiamo l’andamento temporale come in Figu-ra 1, possiamo definire il suo periodo come l’intervallo tra duepicchi (o, analogamente, tra due valli), e cioe il tempo che occor-re per avere un’oscillazione completa. L’ampiezza dell’onda, di-rettamente collegata all’intensita del suono, e invece l’escursionemassima che essa compie.

L’intensita sonora e anche collegata alla pressione p dell’ondache, attraversando il mezzo, lo perturba e trasmette lo stimolo,attraverso una relazione di dipendenza quadratica:

I ∝ p2 .

Questo significa che, data la proprieta dei logaritmi per cuilog(x2) = 2log(x), possiamo anche scrivere il valore in decibelin termini di sound pressure level (SPL):

Volume in numero di decibelSPL = 20log10

(pp0

).

Qui si usa come riferimento una pressione p0 = 20 µPa (20 µPa,pari a 20 ·10−6 Pa).

Risulta dunque chiaro che il valore in decibel di un suono puoessere anche negativo: se ad esempio un suono ha un volume di−40 dB, significa che

−40 dBSPL = 20log10

(pp0

)⇒ p =

p0

102 ,

e cioe che la sua pressione e di 100 volte inferiore a quella usatacome standard.Riportiamo qui una scala di valori tipici, in termini di de-cibel, dei suoni che comunemente ascoltiamo (i valori sonoapprossimativi).

Suono dBSPL

Bisbiglio 30Conversazione ordinaria 65

Squillo di telefono 80Motocicletta 100

Decollo di un razzo 180

Attorno ai 135 dBSPL si ha la cosiddetta soglia del dolore: l’o-recchio umano, a causa dell’eccessiva pressione, prova autenticodolore (non e raccomandabile sottoporlo a una tale sollecitazio-ne!). Naturalmente questo valore e soggettivo, e inoltre dipendedalla storia del singolo paio di orecchie (per quanto tempo e quan-to spesso hanno ricevuto stimoli sonori di intensita forte) e dallaloro eta.

T

A

u

tempo

Figura 1 – Una rappresentazione esemplificativa di un’onda acustica: Te il suo periodo e A la sua ampiezza.


Figura 2 – Durante un concerto rock si raggiungono (e superano)facilmente i 100 dB.

Bibliografia

[11] Frova A. Armonia celeste e dodecafonia. BUR (2006)[12] Wolfe J. URL http://www.animations.physics.

unsw.edu.au/jw/dB.htm


2013/09/misura-del-suono/

Sull’autore

Martina Pugliese ([email protected]), laureata in Fisica presso l’UniversitaSapienza di Roma, e attualmente dottoranda inFisica presso lo stesso ateneo. Si occupa prin-cipalmente di modellizzazione di dinamiche di linguaggio,ma suonando da anni il pianoforte, e anche molto interessataal profondo rapporto tra musica e scienza.

ESPERIMENTI

Levitazione magneticaLa tecnologia dei treni superveloci con un giradischi

di Paola Malacari

Si sente spesso parlare di levitazione magnetica tramite l’utilizzo di superconduttori. Ma sea casa non abbiamo un superconduttore, possiamo ricreare lo stesso fenomeno? Se aveteun giradischi il gioco e fatto! Attacchiamo il magnete a un’estremita della strisciolina dicarta e posizioniamo il disco di alluminio sul giradischi. Accendiamolo in modo da far

ruotare il disco di alluminio posto al di sopra e avviciniamo la strisciolina di carta con il magnete aldisco. Vedremo che la rotazione del disco provochera la levitazione del magnete sopra di esso!

Cosa succede?

La rotazione del disco vicino al magnete fa sı che esso sia soggetto a un campo magnetico variabile,dovuto al suo moto relativo rispetto al magnete stesso posto al di sopra. La variazione del campo ma-gnetico genera all’interno del disco delle correnti indotte, chiamate Correnti di Foucault, che, secondola Legge di Lenz, danno origine a una forza magnetica di repulsione nei confronti del magnete.

Cosa e l’induzione elettromagnetica? Immaginiamo di avere un circuito elet-trico immerso in un campo magnetico: ogni volta che esso viene sollecitato dauna variazione di tale campo, al suo interno si genera una circolazione di cor-rente. Tale fenomeno e noto come induzione elettromagnetica. Questa corrente

indotta permane finche esiste la variazione di campo magnetico. Inoltre, per far sı che venga rispettatoil princicpio di conservazione dell’energia, bisogna sottolineare che il verso della corrente indotta etale da generare un campo magnetico che si oppone alla variazione del flusso che l’ha generata (Leggedi Lenz). La legge che descrive l’intero fenomeno e nota come Legge di Faraday-Neumann-Lenz:

∆V =−∆Φ/∆t , (1)

dove ∆Φ rappresenta la variazione del flusso del campo magnetico attraverso il circuito nell’inter-vallo di tempo ∆t, e ∆V rappresenta la forza elettromotrice indotta dovuta, appunto, all’induzioneelettromagnetica.

Cosa sono le correnti di Foucault? Le correnti indotte si generano ancheall’interno di corpi metallici massicci, come nel caso del nostro esperimento.In questa circostanza prendono il nome di Correnti di Foucault. Secondo laLegge di Lenz, anche in questo caso le correnti indotte danno origine a una

forza magnetica di repulsione nei confronti del magnete, forza che fa sı che il magnete leviti sopra ildisco di alluminio.

Applicazioni

L’induzione elettromagnetica e la conseguente levitazione magnetica possono essere una grande risor-sa. In particolar modo, possiamo vedere una delle applicazioni principali nel campo ferroviario. Leferrovie a levitazione sono quei sistemi ferroviari in cui viene eliminato il contatto tra binari e trenoe, di conseguenza, l’attrito e la resistenza all’avanzamento. Una delle tecniche per realizzare questisistemi sfrutta proprio l’induzione elettromagnetica, si parla in questo caso di ferrovie a SospensioneElettrodinamica (EDS). Questo sistema sfrutta le forze opposte tra i magneti installati sul veicolo egli avvolgimenti conduttivi posti sul binario. La levitazione e quindi la conseguenza diretta del movi-mento del veicolo. Per avere maggiore stabilita, pero, i treni EDS utilizzano magneti superconduttoriestremamente potenti e leggeri, piu costosi dei magneti convenzionali e che richiedono un sistema direfrigerazione installato sul treno che li mantenga a bassa temperatura.

SCHEMA

MATERIALE

• 1 giradischi

• 1 disco di alluminio• 1 forte magnete di piccola massa

• 1 sottile striscia di carta

ARGOMENTI

• Levitazione magnetica

• Corrente elettrica• Induzione elettromagnetica


Accastampato non e un periodico, pertanto non e registra-to e non ha un direttore responsabile. E un esperimento dicomunicazione realizzato dall’associazione Accatagliato de-gli studenti di fisica dell’Universita Sapienza di Roma con ilduplice obiettivo di mostrare al pubblico non specialistico eagli studenti delle scuole superiori le ricerche portate avantinell’area romana e di fornire l’occasione agli studenti univer-sitari e ai giovani ricercatori di raccontare il proprio lavoroquotidiano e di confrontarsi con la comunicazione scientificanon specialistica.

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Impaginazione: Alessio CimarelliCopertina: Silvia Mariani

Per la traduzione in italiano si ringraziano Laura Caccianini,Massimo Margotti, Martina Pugliese, Alessio Cimarelli.

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